C語言中的volatile是什么

學(xué)C語言時有一個奇怪的關(guān)鍵字volatile，這到底有什么用呢？

volatile與編譯器

首先來看這樣一段代碼：

int busy = 1;
void wait() {    while(busy) {        ;    }}

編譯一下，注意， 這里使用O2優(yōu)化 ：

讓我們仔細(xì)看看生成的這段匯編：

wait:        mov     eax, DWORD PTR busy[rip].L2:        test    eax, eax        jne     .L2        retbusy:        .long   1

其中L2這一段即為while循環(huán)，這段指令是經(jīng)過編譯器優(yōu)化的，可以看到，決定能否跳出循環(huán)是通過檢查寄存器eax來完成的，而沒有檢查變量busy所在內(nèi)存的真實內(nèi)容。

注意，對于這段代碼來說這里的優(yōu)化是正確的，但問題是如果還有其它代碼修改了變量busy，那么這里的優(yōu)化會導(dǎo)致其它代碼對變量busy的修改根本就不能生效，就像這樣：

int busy = 1;
// 該函數(shù)在A線程中執(zhí)行void wait() {    while(busy) {        ;    }}
// 該函數(shù)在B線程中執(zhí)行void signal() {    busy = 0;}

如果wait函數(shù)中while循環(huán)對應(yīng)的機器指令僅僅從寄存器中讀取數(shù)據(jù)那么即使B線程的signal函數(shù)修改了busy變量也不能讓wait函數(shù)從循環(huán)中跳出來。

如果你對busy變量使用volatile修飾，生成的指令就變成這樣了：

wait:.L2:        mov     eax, DWORD PTR busy[rip]        test    eax, eax        jne     .L2        retbusy:        .long   1

注意看此時L2這一段，每次都從busy變量所在的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并存放在eax，然后再去判斷，這樣就能確保每次都能讀取到busy變量的最新值。

實際上你可以把寄存器eax當(dāng)做busy所在內(nèi)存的cache，當(dāng)cache(寄存器)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致時不會有任何問題，但當(dāng)cache與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致時(也就是內(nèi)存已被更新但cache保存的還是舊數(shù)據(jù))，程序的運行往往出乎預(yù)料。

除了多線程的例子，還有一類就是signal handler以及硬件修改該變量(用C語言與硬件交互式時經(jīng)常遇到)，如果編譯器生成文章開頭那樣的指令那么等待線程將檢測不到signal handler或者硬件對變量的修改。

因此在這里我們需要告訴編譯器：“不要耍小聰明，不要只從寄存器中讀數(shù)據(jù)，這個變量可能在其它地方已經(jīng)被修改了，使用時從內(nèi)存中獲取最新數(shù)據(jù)”。

現(xiàn)在是時候簡單總結(jié)一下了， volatile僅僅阻止編譯器試圖去優(yōu)化對變量的讀取操作 。

volatile與多線程

一定要注意volatile僅僅確保變量的可見性，但和變量的原子訪問沒有半毛錢關(guān)系，這是兩個完全不同的任務(wù) 。

假設(shè)有一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體struct foo:

struct data {  int a;  int b;  int c;  ...};
volatile struct data foo; 
void thread1() {    foo.a = 1;    foo.b = 2;    foo.c = 3;    ...}
void thread2() {    int a = foo.a;    int b = foo.b;    int c = foo.c;    ...}

你僅僅用volatile去修飾變量foo只是確保了當(dāng)該變量被thread1修改后我們能在thread2中讀取到最新值， 但是這解決不了多線程并發(fā)讀寫需要原子訪問foo的問題 。

確保變量原子性訪問一般都采用鎖，當(dāng)使用鎖時，鎖本身就包含了volatile提供能力，即，確保變量的可見性，因此當(dāng)使用鎖時沒有必要使用volatile。

volatile與memory order

有的同學(xué)可能會想如果我想用volatile修飾的變量沒有那么復(fù)雜，僅僅是一個int，就像這樣：

volatile int busy = 0;

A線程讀取busy變量，B線程更新busy變量，當(dāng)A檢測到busy變化后執(zhí)行特定操作，這樣可行嗎？既然通過volatile修飾后可以確保每次都從內(nèi)存中讀取busy，那么應(yīng)該可以這樣使用吧。

然而，計算機在概念上可能相對簡單些，但在工程實踐中是復(fù)雜的。

我們知道由于CPU與內(nèi)存之間的速度差異非常大，CPU與內(nèi)存之間有一層cache，CPU其實并沒有直接讀取內(nèi)存，cache的存在會讓問題復(fù)雜起來，限于篇幅與本文主題這里不再展開。

為優(yōu)化內(nèi)存讀寫，CPU可能會對內(nèi)存讀寫操作進(jìn)行指令重排，reordering，帶來的后果就是：假設(shè)在線程1中先后執(zhí)行第N行代碼與第N+1行代碼，但在線程2看來卻是第N+1行代碼先生效，假設(shè)X的初始值為0，Y的初始值為1：

線程1           線程2
X = 10         if (!busy)
busy = 0;         Y = X;

當(dāng)線程2檢測到busy為0后讀取X的值，此時讀取到的X值可能為0。

為解決這一問題，我們需要的不是volatile，volatile解決不了reordering問題，我們需要的是內(nèi)存屏障，memory barrier。

內(nèi)存屏障是一類機器指令，該指令對處理器在該屏障指令之前與之后的內(nèi)存操作進(jìn)行了限制，確保不會出現(xiàn)重排問題。

而內(nèi)存屏障帶來的效果依然能夠涵蓋volatile提供的功能，因此也不需要volatile。

可以看到，在多線程環(huán)境下我們幾乎總是不會使用volatile關(guān)鍵字。